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如何使用ZigBee技术进行断路器操动机构温湿度在线监测系统的设计说明
PCB56576707
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设计提出了一种利用新型低功率、低成本的 ZigBee 无线网络技术来实现对断路器操动机构内温湿度在线监测的方法。系统采用了一款含有已校准数字信号输出的温湿度传感器芯片 SHT11 来对温湿度进行数据采集。根据系统的设计要求及预实现的功能，将系统的整体结构分为 SHT11 传感器采集部分、无线数据传输部分和上位机监测三个部分。在系统硬件设计方面，主要是针对数据采集部分和无线数据传输部分的设计。选用 TI 公司的 CC2430 芯片为主控芯片，根据无线网络的特点，将硬件划分为协调器节点、路由器节点和终端节点三部分，设计了各节点的硬件结构框图。完成了射频及扩展电路、传感器电路、电源供电电路、接口电路、串口通信电路、按键及液晶显示电路、报警及复位电路的设计。
在系统的软件设计方面，采用 IAR 开发环境编写和编译传感器节点程序，设计了协调器节点、路由器节点和终端节点的软件流程图，实现了无线传感器网络采集温湿度信号及传感器节点之间的数据传输功能。
系统上位机软件采用 LabVIEW 开发环境，描述了上位机系统预计实现的功能。设计了上位机软件开发流程，主要分为用户管理、系统设置、数据处理、数据显示、和历史数据五部分。利用 LabVIEW 软件完成了状态监测系统上位机监测界面的设计并给出了上位机监测的实际显示功能、曲线报表及数据存储功能等。
电气设备在线监测就是利用传感器将运行中一次设备的状态量进行采集、传输和处理，将难以实际观测到的状态量以图表、曲线等直观可检测量表现出来，以实现对运行中一次电气设备状态连续的实时监测和诊断。电气设备在线监测，实际上就是为了维护和保持电力系统的安全稳定运行，对重要的电气设备运行情况参数进行观测和诊断，监测的主要目的就是要第一时间发现设备的异常状态和故障情况，在可能发生故障或更严重故障前提醒工作人员，及时避免事故的发生，从而使电力系统所受的损害降到最低。对电气设备传统的监测方法就是人工的对设备进行巡视和在固定的检修周期内对设备进行检修预试工作，但人工巡视只能通过设备外观，仪器仪表等直观监测量加以判断，受巡视次数和精细度的影响，人工巡视弊端较大，很多重要非电量参数凭借肉眼观察无法观测到，此外人工巡视还有效率低下，受人为因素影响较大等诸多不利因素。对设备进行检修预试工作使设备缺陷和故障能够及时的发现和处理，但检修预试工作更多的是在停电的基础上进行的，不能对实际运行中的设备进行处理，受固定的检修周期和停电周期的影响，不可能做到对设备缺陷和故障实时的发现和处理。随着计算机和传感器技术的飞速发展，电气设备的在线监测也想着智能化、自动化的方向发展，很多重要的非电量参数需要相应的传感器来进行采集和处理，这就为传感器技术的发展提供了平台和广阔的应用前景。
运维人员应实时掌握变电设备的运行数据，对于可能发生的事故和隐患要做到提前预防，发生异常情况要第一时间做出反应并以最有效的方法进行处理，这就要求在线监测系统能够做到实施的报警、显示功能，及时提醒运维人员设备的异常数据，运维人员在现场解决不了的可通知专业班组的检修人员来进行缺陷的消除，维护电力系统的安全稳定运行。国内外的研究表明，高压断路器实施状态监测经济效益显著，可以有效减少断路器故障带来的经济损失。国际大电网会议关于高压断路器故障的统计调查显示：SF6 断路器操动机构方面的事故占有较高比例，约为大事故率的 43%和小事故率的 44%，因此，加强对断路器在线监测具有十分重要的意义。
目前常规 500kV 变电站内的电气设备在线监测装置是将传感器发出的信号通过电缆等二次线传输至子站和后台，采用的是传统的电缆传输数据的方式，变电站内一次设备排布十分密集，加上变电站面积很大，电气设备的二次线长度很长，除了站内电缆沟的走向复杂外，其造价成本很高，加上电缆老化会使其绝缘性能降低，还有电磁干扰、操作过电压以及环境因素等都会影响到设备传输信号的可靠性，并且传感器的安装位置收到实际条件的限制，加上每个变电站由于接线方式不同而导致被检测设备的位置也不固定，无形中浪费了大量的物质资源，这是传统有线传输方式最大的弊端。本文设计的温湿度在线监测系统就是利用 ZigBee 无线传输技术，摒弃了传统的有线传输方式，使得被检测点的选址十分灵活，可以根据实际情况增加或减少终端节点的数量，避免了布线的麻烦，减少了电缆的投资，减轻了有线传输方式给电力工作人员带来的困扰。
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